据百度网，于2026年04月02日报道，西安电子科技大学胡辉勇团队突破：短波红外芯片成本骤降99%，手机将迎“透视”时代？

从”航天飞机”到”家电”的成本之问

想象一下用造航天飞机的精密工艺去制造一台家用电器，那会是何等奢侈的场景。这恰恰是过去几十年里短波红外探测技术的真实写照——它确实有着如航天器般的超凡能力，能够穿透雾霾、在黑夜中看清物体，还能识别不同物质的材质特征，但其成本也如航天飞机般居高不下。

西安电子科技大学胡辉勇教授团队的一项突破，正在将这一昂贵的”航天技术”拉回地面。他们成功研制的基于硅锗工艺的单光子雪崩二极管（SPAD）芯片，将短波红外探测技术的制造成本大幅降低。原本单颗动辄数千美元的高端芯片，如今有望以百分之一的成本进入智能手机、车载激光雷达等民用领域。

“我们是在用造手机芯片的成本，去做过去只有’天价’才能实现的短波红外探测器。”团队核心成员王利明的这句话，点出了这项技术的核心价值。这场成本革命的背后，究竟是怎样一条颠覆性的技术路径？又是如何破解了困扰业界数十年的技术难题？

短波红外探测的”黄金门槛”与材料失配挑战

传统短波红外探测的王者是铟镓砷（InGaAs）方案。这种材料的性能确实出色——当光子撞击探测器的瞬间，能够以高达70%-90%的量子效率将其转化为电信号。SPAD作为单光子雪崩二极管，其核心原理是通过施加高于击穿电压的反向偏压，使光子激发的载流子触发雪崩倍增效应，产生可检测的电脉冲信号。在短波红外波段，这种探测能力尤为珍贵。

然而，铟镓砷的优异性能也伴随着巨大的代价。这种材料必须生长在昂贵的磷化铟衬底上，其制造需要采用特殊的III-V族化合物工艺，与全球主流的硅基CMOS生产线完全不兼容。这种”异类”身份让铟镓砷SPAD陷入了尴尬境地：不仅原材料稀缺，制造工艺复杂，良率难以提升，更致命的是无法借力于庞大的硅基芯片制造生态。

但这还不是全部。即便决心投入重金建设专门的生产线，一个更根本性的难题横亘在前——晶格失配。

物理学上，不同半导体材料的原子排列间距不同，当两种材料的原子周期不匹配时，强行结合就会产生大量缺陷。就像在满是裂缝的墙上贴瓷砖，贴上去就会脱落、破损。在半导体材料领域，这种”不匹配”直接影响器件的电学性能，导致噪声增大、漏电严重，最终使器件失效或性能剧降。

对于试图在硅衬底上生长III-V族化合物材料的科学家来说，这几乎是道无解的难题。硅与这些化合物材料之间的晶格失配率太高，产生的缺陷密度足以毁掉任何实用化的器件。这也正是将短波红外探测成本拉下来的核心障碍——无法利用成熟的硅基制造生态，就只能在昂贵的专用生产线上做小批量、高成本的贵族芯片。

破局之路：硅锗SPAD的技术原理深度拆解

胡辉勇团队选择了一条看似简单、实则精妙的技术路线——硅锗（SiGe）。在材料科学的世界里，硅和锗就像是”近亲”，同属第四主族元素，晶体结构相似。更关键的是，硅锗合金的晶格常数可以通过调节锗含量在一定范围内调整，这为在硅衬底上高质量外延生长提供了理论可能。

然而，理论上的可能并不等同于实际上的可行。硅与锗的原子排列周期之间存在着4.2%的晶格失配率，这个数字看起来不大，但在纳米尺度上已是天堑。这种错位导致材料缺陷和探测器漏电，让硅锗SPAD技术在20多年里难以走出实验室。

为了攻克这一物理魔咒，科研团队在多个环节同时发力。他们设计了多层渐变缓冲层配合低温生长技术，如同在原子层面架设一座”缓坡”，逐步减少原子级失配，让硅锗材料能够平稳地”着陆”在硅衬底上。同时，采用原位退火和钝化技术抑制漏电，就像给整个结构加上了一层保护膜。更重要的是，通过创新的SPAD结构设计优化电场分布，让信号更清晰、噪声更低。

这种技术突破并非单点式的改进，而是构建起了覆盖”器件设计—材料外延—工艺流片—电路匹配—系统验证”的全链条自主研发能力。在材料外延环节，团队掌握了在硅基上高质量硅锗外延生长的核心技术；在器件设计方面，优化了雪崩倍增区、保护环等关键结构，以实现高光子探测效率与低噪声；在工艺流片上，成功将设计转化为实际芯片，并确保其与标准CMOS工艺的兼容性。

正在推进的硅锗专用流片线预计2026年底建成，这一战略布局意义深远。它不仅能为后续产品迭代提供快速验证平台，更重要的是提供了可控的产能支撑，为大规模商业化铺平了道路。有了自己的流片线，团队能够在短时间内完成设计到样品的转化，大幅缩短产品开发周期。

成本革命的基石：无与伦比的产业兼容性优势

如果说技术突破是硅锗SPAD的”面子”，那么成本控制就是这项技术的”里子”。而成本革命的密码，就隐藏在硅锗材料与现有半导体产业链的无缝对接中。

传统铟镓砷芯片需要特殊的化合物半导体产线，全球能够提供相关制造能力的厂商屈指可数。而硅锗工艺选择的，恰恰是全球最成熟、产能最庞大的赛道——这正是CMOS工艺的主场。

硅锗工艺能直接利用全球庞大而成熟的8英寸或12英寸硅基CMOS生产线。这一兼容性带来了几个根本性优势：首先，无需投资建设昂贵的专用生产线，巨幅降低了固定资产投资；其次，可以直接套用经过数十年优化的标准工艺流程，稳定了良率；再次，能够直接融入全球半导体供应链，从设备、材料到代工服务都有成熟的生态支持；最后，还具备了近乎无限的产能扩展潜力——只要有硅基生产线的地方，理论上就能生产硅锗SPAD。

“我们不需要去买几十亿一台的EUV光刻机，也不需要昂贵的磷化铟晶圆。”一位参与项目的博士解释，”我们用的就是中芯国际、华虹宏力这些工厂里随处可见的8英寸或12英寸硅片。”

这种产业兼容性带来的成本降低是结构性的。从材料成本看，硅片价格远低于磷化铟衬底；从制造成本看，标准CMOS产线的加工费远低于专用III-V族生产线；从封装测试到最终产品的整个价值链，硅锗SPAD都能享受到硅基半导体产业的规模效应。据推测，综合成本的降幅可能达到传统方案的百分之一，甚至更低。

从实验室走向千行百业：开启的百亿级应用蓝图

在过去，短波红外技术是高端领域的”奢侈品”。它主要应用在军工夜视装备、高端科研仪器、卫星遥感等场景中，单颗芯片数百至数千美元的价格，决定了它只能是少数领域的专享。

但随着硅锗SPAD将成本拉入”平民级”，短波红外技术正在迎来应用场景的指数级扩张。

在智能手机领域，硅锗SPAD有望赋能后置摄像头实现真正意义上的暗光增强。传统手机摄像头在夜间或弱光环境下表现不佳，而短波红外技术能够穿透烟雾、薄雾成像，甚至可能实现物质成分的初步鉴别，如果蔬糖度、水分检测。这将重新定义移动影像，让每台手机都拥有超越人眼的”透视”能力。

车载激光雷达是另一个巨大市场。现有激光雷达在雾、雨、霾等恶劣天气下的探测性能会大幅下降，而短波红外技术恰恰擅长穿透这些介质。搭载硅锗SPAD的激光雷达不仅能在恶劣天气下保持可靠的探测能力，成本的大幅降低也让高阶自动驾驶系统能够更广泛地配置这种传感器，为行车安全提供关键感知保障。

工业检测与机器视觉领域同样前景广阔。短波红外成像能够看到物体表面以下的信息，这在半导体缺陷检测、药品包装杂质识别、农产品分选等场景中具有独特价值。传统检测方法可能无法发现的内部缺陷，在短波红外”火眼金睛”下将无所遁形。

医疗与生命科学是另一个值得期待的方向。短波红外光谱技术可用于无创血糖监测、皮下血管成像等新型医疗设备的开发。相比现有技术，短波红外能更安全、更清晰地观察人体内部情况。

这背后是一个正向循环的市场逻辑：成本下降推动应用场景从”专用”拓展至”消费级”与”工业级”；广阔的市场需求反过来刺激产能扩张和技术迭代；规模效应进一步推动成本下降，形成技术与市场的良性互动。据推测，这一技术突破可能催生百亿甚至千亿级的新兴市场。

未来的”透视”生活与开放式展望

西安电子科技大学胡辉勇教授团队的突破，其意义远超一颗芯片的诞生。这是一项通过底层材料与工艺创新，打通高性能、低成本短波红外传感产业化路径的系统性解决方案。技术含金量不仅在于解决了4.2%晶格失配的具体难题，更在于构建了一个从设计到制造的完整技术体系。

可以想象，当未来某一天，我们的手机摄像头都搭载了这种”透视眼”，生活会变得怎样不同？驾驶更安全，因为车辆能在浓雾中清晰视物；健康管理更精准，因为设备能无创监测体内变化；工业生产更智能，因为机器能看透产品内部缺陷。

这场由硅锗技术引领的低成本、高集成度成像革命，正悄然加速。它不仅是技术的突破，更是感知能力的民主化——让过去只能用于高端领域的超凡感知能力，真正”飞入寻常百姓家”。

如果短波红外技术普及到日常生活中的各个角落，你认为哪些应用场景最令人期待？